機載設(shè)備過流導(dǎo)致保險絲燒毀案例分析

曹洪彬，劉紅波，劉斌全，王子楠，王道震

（天津七一二通信廣播有限公司，天津 300462）

引言

外場反映某機載某系統(tǒng)[1]在試飛過程中出現(xiàn)上報射頻功放模塊故障的現(xiàn)象。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的某系統(tǒng)的電源單元內(nèi)適配射頻功放模塊+28 V 供電的保險絲已被燒毀，且出現(xiàn)故障前射頻功放模塊始終處于正常工作狀態(tài)，保險絲型號： WRK-Ⅱ-250V-3N，經(jīng)理論計算保險絲選型不合理，不滿足此負(fù)載應(yīng)用場景，改選用型號： WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險絲[2]，經(jīng)試驗驗證，無此故障發(fā)生，系統(tǒng)工作正常。

由于非國產(chǎn)化與國產(chǎn)化射頻功放模塊負(fù)載特性不同，開機啟動瞬間沖擊電流持續(xù)時間不一致[3]，導(dǎo)致非國產(chǎn)化下的保險絲選型，不滿足國產(chǎn)化射頻功放模塊使用要求。傳統(tǒng)設(shè)計中保險絲選型并未考慮負(fù)載特性，本文旨在考慮不同負(fù)載特性下，提出了一種保險絲的選型方法，該方法更全面地指導(dǎo)了保險絲選型。

1 方法介紹

1.1 負(fù)載特性測試環(huán)境搭建

為客觀找準(zhǔn)適配射頻功放模塊保險絲燒毀的原因，對非國產(chǎn)化及國產(chǎn)化射頻功放模塊的負(fù)載特性進行了詳細(xì)測試，測試框圖如圖1 所示。

圖1 開機沖擊電流測試框圖

該測試方法為系統(tǒng)供電電源常開，系統(tǒng)供電電源與被測設(shè)備之間增加輔助配電開關(guān)，通過輔助配電開關(guān)控制被測設(shè)備的上電控制，電流探頭夾在輔助控制開關(guān)的輸出與被測設(shè)備之間，模擬機上突然上電的真實狀態(tài)，用示波器讀取輔助配電開關(guān)閉合時的被測設(shè)備的上電沖擊電流。

1.2 射頻功放模塊負(fù)載特性測試結(jié)果

通過上述搭建的測試環(huán)境，分別完成非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)化件射頻功放模塊的負(fù)載特性測試，測試結(jié)果見1.2.1 與1.2.2。

1.2.1 非國產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性實測情況

非國產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性實測沖擊電流峰值電流為74.4A，持續(xù)時間為200us 左右，波形為尖峰三角波。

1.2.2 國產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性實測情況

國產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性實測波形如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)件上電沖擊電流波形

從圖2 可以看出，國產(chǎn)件射頻功放模塊開機沖擊電流峰值電流為74.4 A，持續(xù)時間為2 ms 左右,波形為尖峰三角波。

1.3 原保險絲抗沖擊電流機理分析

原保險絲型號為WRK-Ⅱ-250V-3N，其額定電流為3 A，額定電壓為250 V，結(jié)合上述非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)件射頻功放模塊的上電脈沖測試結(jié)果，考慮模塊工作環(huán)境溫度影響，脈沖能量，脈沖循環(huán)承受能力，分別計算非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)化射頻功放模塊所需要熔斷器的能量值（I2t）。

1）考慮工作溫度影響

熔斷器[4]是溫度敏感元件，當(dāng)熔斷器工作溫度高于25 ℃時必須考慮溫度的影響，應(yīng)參照熔斷器溫度折減曲線降級使用如圖3。等效電流計算方法參見公式（1）。

圖3 WRK-Ⅱ-250V 系列保險絲溫度折減曲線

根據(jù)系統(tǒng)最高工作溫度達(dá)到95 ℃，根據(jù)溫度折減曲線可知95 ℃時溫度折減系數(shù)K 取值為82.5 %。

2）考慮脈沖能量波形

根據(jù)熔斷器廠家手冊推薦，計算脈沖能量值時，需要根據(jù)所測出的脈沖波形對照下圖中對應(yīng)近似的波形計算出脈沖的能量值（I2t）。

根據(jù)非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)化件射頻功放模塊的負(fù)載特性測試結(jié)果，測試的尖峰脈沖波形近似為圖4，對應(yīng)能量值計算公式見公式（2）。

圖4 尖峰脈沖波形能量值計算公式

3）考慮脈沖循環(huán)承受能力

根據(jù)熔斷器廠家產(chǎn)品手冊，熔斷器的需求能量值還需考慮循環(huán)脈沖次數(shù)需求，其中保險絲能夠承受的循環(huán)脈沖次數(shù)與脈沖循環(huán)承受能力U之間的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 脈沖承受能力與次數(shù)

利用脈沖循環(huán)承受能力和電路中脈沖值（I2t）可計算所需熔斷器的能量值，計算方法見公式（3）：

根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本文熔斷器選型要求能夠承受10 萬次脈沖，即對應(yīng)的脈沖循環(huán)承受能力U 取值為22 %。

1.3.1 非國產(chǎn)化樣機狀態(tài)分析

根據(jù)非國產(chǎn)化件所測量出的脈沖波形形狀，可計算出脈沖的能量值（I2t）：

測試顯示瞬態(tài)電流I瞬1為74.4 A，脈沖持續(xù)時間T瞬1為200 us，結(jié)合公式（1）、公式（2）可計算上電時產(chǎn)生的脈沖能量值：

考慮熔斷器需要承受脈沖次數(shù)為10 萬次，結(jié)合公式（3），則所需的熔斷器的能量值:

因此適配非國產(chǎn)化件射頻功放模塊的熔斷器選型需滿足大于Q需1=1.478A2s。

保險絲的電流-時間特性曲線圖，如圖5 所示。

圖5 電流-時間特性曲線圖

從圖5 電流-時間特性曲線可以看出，保險絲WRK-Ⅱ-250V-3N 在74.4A 脈沖電流時能承受的最大能量值為Q3N= I2t=74.4×74.4×0.001 A2s=5.53 A2s，該能量值滿足Q3N≥Q需1，說明WRK-Ⅱ-250V-3N 保險絲選型滿足非國產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性的設(shè)計要求。

1.3.2 國產(chǎn)化樣機狀態(tài)分析

根據(jù)國產(chǎn)件所測量出的脈沖波形形狀，計算出脈沖的能量值（I2t）。

根據(jù)測試結(jié)果，瞬態(tài)電流I瞬2為74.4 A，脈沖持續(xù)時間T瞬2為2 ms，此脈沖是在負(fù)載上電瞬間產(chǎn)生，上電時產(chǎn)生的脈沖能量值Q2=I2t=1/5×（I瞬2/K）2×T瞬Q2=1/5×（74.4/82.5 %）2×2/1 000 s ≈3.25 A2s，考慮熔斷器需要承受脈沖次數(shù)，則所需的熔斷器的能量值:

因此適配國產(chǎn)件射頻功放模塊的熔斷器選型需滿足如下要求：

實際情況： Q需2（100次）≥Q3N,說明匹配射頻功放模塊的WRK-Ⅱ-250V-3N 保險絲只能承受射頻功放模塊小于100 次的上電脈沖，選型無法滿足國產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性的設(shè)計要求，在一定次數(shù)后會造成WRK-Ⅱ-250V-3N 保險絲燒毀。

1.4 機理分析總結(jié)

本次保險絲的燒毀主要原因在于射頻功放模塊國產(chǎn)化后負(fù)載需求增加，導(dǎo)致國產(chǎn)化后射頻功放模塊的開機沖擊電流超出了原保險絲的最大耐受能量值，出現(xiàn)燒毀。

2 替代保險絲與原保險絲對比分析

2.1 瞬態(tài)能量分析

基于上述原因分析及測試結(jié)果對保險絲重新選型。同封裝大小保險絲型號有WRK-II-250V-4N、WRK-II-250V-6N、WRK-II-250V-10N，根據(jù)圖5 電流-時間特性曲線，分別計算在74.4A 脈沖電流時各保險絲可承受的最大能量值。

保險絲WRK-Ⅱ-250V-4N 在74.4 A 脈沖電流時能承受的最大能量值為：

保險絲WRK-Ⅱ-250V-6N 在74.4 A 脈沖電流時能承受的最大能量值為：

保險絲WRK-Ⅱ-250V-10N 在74.4 A 脈沖電流時各保險絲可承受的最大能量值為：

經(jīng)上述理論計算WRK-Ⅱ-250V-4N 的保險絲Q4N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能滿足國產(chǎn)化與非國產(chǎn)化負(fù)載特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險絲Q6N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能滿足國產(chǎn)化與非國產(chǎn)化負(fù)載特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-10N 的保險絲Q10N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s 同時能滿足國產(chǎn)化非國產(chǎn)化負(fù)載特性要求，但考慮負(fù)載特性因素，WRK-Ⅱ-250V-4N、WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險絲即可滿足使用，WRK-Ⅱ-250V-10N的保險絲過余量設(shè)計，存在起不到過流保護作用的風(fēng)險。

2.2 穩(wěn)態(tài)電流分析

考慮穩(wěn)態(tài)電流降額情況，實測本負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流為2.05 A，根據(jù)國軍標(biāo)GJB/Z 35-1993 元器件降額準(zhǔn)則[5]，保險絲降額系數(shù)為0.45~0.5，保險絲選型應(yīng)大于2.05/0.5= 4.1 A，由此可知WRK-Ⅱ-250V-4N 保險絲不滿足使用要求。因此本設(shè)計中采用WRK-Ⅱ-250V-6N的保險絲進行原位替換。

3 驗證情況

更換WRK-Ⅱ-250V-6N 保險絲后，對返廠設(shè)備進行全面性能檢測及高、低溫、溫沖測試，功能、性能正常，指標(biāo)符合協(xié)議書要求，采取的措施有效可行，故障消除。

4 結(jié)束語

本文針對機載設(shè)備過流導(dǎo)致保險絲燒毀問題，實測負(fù)載啟動沖擊電流波形，提出了一種保險絲選型方法。通過替代的保險絲與原保險絲在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進行對比分析，論證了替代保險絲的有效性。此方法彌補了電路設(shè)計中的缺陷，已實際應(yīng)用在我單位電源系統(tǒng)設(shè)計中，同時可作為后續(xù)機載設(shè)備保險絲的選型依據(jù)，提高整機的可靠性及安全性。